陳俊英 方書起 劉利平 李攀

［摘 要］畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)是高等教育實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容之一，換熱器是化工、輕工等過程工業(yè)中重要的工藝設(shè)備，具有一定的代表性及典型性。高校相關(guān)工科專業(yè)大都將換熱器設(shè)計(jì)作為鍛煉學(xué)生工程能力的實(shí)踐項(xiàng)目。文章主要介紹管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容以及如何確定換熱器的換熱管數(shù)量、長(zhǎng)度、殼體直徑等工藝參數(shù)，以期對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)算過程起到規(guī)范的作用，提高其工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］畢業(yè)設(shè)計(jì)；課程設(shè)計(jì)；換熱器；工藝計(jì)算

［中圖分類號(hào)］ G642.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）11-0083-03

畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)作為本科實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)本科生工程實(shí)踐能力的關(guān)鍵步驟，屬于人才培養(yǎng)方案中不可或缺的內(nèi)容?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計(jì)劃”和工程教育專業(yè)認(rèn)證分別由教育部和專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)推動(dòng)實(shí)施，目的都是培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)以及強(qiáng)化與企業(yè)間的合作，都對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)非?？粗?，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，希望能培養(yǎng)出更多具有一定工程背景、能夠適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需要的各類工程技術(shù)人才。

換熱器作為常見的工藝設(shè)備，在化工、輕工、石化等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，具有典型性和代表性，換熱器設(shè)計(jì)是高校工科專業(yè)課程訓(xùn)練的主要內(nèi)容之一。筆者在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行換熱器的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對(duì)換熱器的工藝計(jì)算缺乏必要的認(rèn)識(shí)。由于換熱器的種類繁多，不同的結(jié)構(gòu)形式所涉及的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容也各不相同，因此本文選擇工業(yè)生產(chǎn)中最常見也是最具有代表性的管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，為學(xué)生進(jìn)行換熱器工藝設(shè)計(jì)提供參考，后續(xù)的換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參考國(guó)家與行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料[1]。

一、弄清換熱器的工作原理

換熱器是一種最常見的工業(yè)設(shè)備，主要用來實(shí)現(xiàn)兩種或兩種以上流體（最常見的是兩種流體）間進(jìn)行熱量交換的設(shè)備[2]。兩種流體熱交換的間壁式換熱器有兩個(gè)空間（分別稱為殼程和管程），這兩個(gè)空間分別流過溫度高的熱流體和溫度低的冷流體。教師在教學(xué)過程中要介紹清楚換熱器的工作原理，讓學(xué)生明白在熱交換過程中，溫度較高的熱流體利用對(duì)流傳熱的方式把熱量傳遞給溫度較低的換熱面（一般也稱壁面）的一側(cè)，使換熱面的一側(cè)溫度升高、熱流體溫度下降；換熱面兩側(cè)面間的傳熱是以導(dǎo)熱的方式，利用壁面介質(zhì)把熱量傳遞到換熱面（壁面）的另一側(cè)，使另一側(cè)溫度也升高；最后又通過對(duì)流傳熱的方式，把壁面熱量傳遞給溫度更低的冷流體，使冷流體升溫，從而實(shí)現(xiàn)熱流體降溫、冷流體升溫這個(gè)完整的熱量傳遞過程。

二、正確選擇換熱器的類型及結(jié)構(gòu)形式

管殼式換熱器按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用場(chǎng)合可分為固定管板式、U形管式、浮頭式、填料函式和釜式重沸器等不同類型。不同類型的換熱器的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合具體如表1所示。固定管板式換熱器的管程容易清洗，溫差較大時(shí)需要設(shè)置膨脹節(jié)，適合殼程為壓力較低的清潔流體；U形管式換熱器殼程容易走短路，經(jīng)常需要設(shè)置隔板，適用于溫差較大或者殼程介質(zhì)易結(jié)垢的場(chǎng)合；浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，制造較為困難，但換熱管束可抽出清洗，與U形管式適用場(chǎng)合相似；填料函式換熱器采用填料密封，容易泄露，不適合易燃、易爆、有毒害、易揮發(fā)的介質(zhì)；釜式重沸器設(shè)置有蒸發(fā)空間，容易清洗，可處理易結(jié)垢的介質(zhì)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)學(xué)生須根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求選擇合適的類型和結(jié)構(gòu)形式。固定管板式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，作為一種基礎(chǔ)性的設(shè)計(jì)范例，具有一定的代表性，因此本文主要介紹該類換熱器的設(shè)計(jì)過程。

三、收集物料的物性參數(shù)和工藝操作參數(shù)

在設(shè)計(jì)換熱器前，學(xué)生必須先收集物料的物性參數(shù)和工藝操作參數(shù)才能進(jìn)行工藝計(jì)算。物料的物性參數(shù)包括冷、熱物料在定性溫度下的密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、汽化潛熱等參數(shù)。工藝操作參數(shù)主要包括換熱器內(nèi)冷、熱流體的體積（或質(zhì)量）流量以及兩側(cè)流體進(jìn)出口溫度、壓力等。

四、換熱器工藝計(jì)算過程

換熱器設(shè)計(jì)對(duì)于學(xué)生而言屬于工程設(shè)計(jì)的類型，需要先完成工藝計(jì)算，確定總傳熱量、平均傳熱溫差、總傳熱系數(shù)、換熱面積和換熱器直徑等，后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核可以根據(jù)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來完成。

（一）確定物料的流程，計(jì)算總傳熱量和平均傳熱溫差

學(xué)生要首先根據(jù)工藝要求選擇換熱器的類型，確定哪種物料適合走管程、哪種物料適合走殼程；再根據(jù)各程介質(zhì)的操作參數(shù)和物性參數(shù)計(jì)算出換熱器的總傳熱量和平均傳熱溫差，為下一步計(jì)算總傳熱系數(shù)和傳熱面積做準(zhǔn)備。

確定流程時(shí)可遵循的原則主要有以下幾個(gè)：①非清潔或易結(jié)垢、易分解的物料宜選擇易清洗的一側(cè)。對(duì)于直管束而言，此類物料一般選擇走管內(nèi)。②腐蝕性介質(zhì)最好選擇在管程。③壓力高的物料也宜選擇在管程。④作為熱媒（溫度很高）或冷媒（溫度很低）的介質(zhì)以走管程為佳。⑤蒸汽介質(zhì)一般適合在殼程。蒸汽側(cè)的傳熱系數(shù)大，蒸汽冷凝后產(chǎn)生的冷凝液需要及時(shí)排出，走殼程便于排出冷凝液。⑥給熱系數(shù)小的物料（如氣體）宜走殼程，易于加快其速度。⑦被冷卻的介質(zhì)適合在殼程，更有利于散熱。⑧液體物料為了避免走短路一般采用下進(jìn)上出的方式，而氣體物料一般采用上進(jìn)下出的方式。

根據(jù)上述的流程選擇原則，學(xué)生要學(xué)會(huì)根據(jù)不同介質(zhì)的特點(diǎn)，確定管程和殼程的介質(zhì)以及進(jìn)出口管的位置，再根據(jù)所列的工藝條件計(jì)算出總傳熱量和平均傳熱溫差等。

（二）假定并核算總傳熱系數(shù)K

在換熱器工藝計(jì)算過程中，最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是總傳熱系數(shù)K的計(jì)算，這也是學(xué)生需要重點(diǎn)掌握的部分。對(duì)管殼式換熱器而言，傳熱面積以換熱管外表面積為準(zhǔn)。計(jì)算總傳熱系數(shù)K時(shí)需要考慮五個(gè)方面：殼程表面給熱系數(shù)αo，殼程污垢熱阻Rso，管壁熱阻Rm=b/λ，管程污垢熱阻Rsi，管程表面給熱系數(shù)αi。其具體的計(jì)算公式如下：

式中：do—換熱管外徑，dm—換熱管中徑，di—換熱管內(nèi)徑，b—換熱管壁厚，λ—換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)。

計(jì)算總傳熱系數(shù)K對(duì)學(xué)生而言是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，一般采用迭代法進(jìn)行計(jì)算。

首先需要選擇一個(gè)初始的K值。學(xué)生應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件，在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進(jìn)行K初始值的選擇。根據(jù)冷熱流體的流量、進(jìn)出口溫度及相關(guān)物性參數(shù)，計(jì)算出換熱器的總傳熱量和平均傳熱溫差；利用最初選擇的K值計(jì)算出換熱器的初始換熱面積A。

根據(jù)介質(zhì)物性等工藝條件選取換熱管材質(zhì)、直徑和壁厚，換熱管的材質(zhì)和介質(zhì)的特性密切相關(guān)，如果介質(zhì)有腐蝕性應(yīng)選擇耐腐蝕的材料。假定管內(nèi)流速，計(jì)算出所需要的換熱管根數(shù)和長(zhǎng)度；如果發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的換熱管長(zhǎng)度很長(zhǎng)，就需要考慮多管程。多管程數(shù)一般為偶數(shù)，程數(shù)越多，阻力越大，根據(jù)設(shè)計(jì)條件確定出管程數(shù)目。選擇換熱管的排列方式（一般為正三角形和正方形）、管間距和折流板間距的大??；根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算出換熱管內(nèi)、管外的給熱系數(shù)，估算出換熱器的直徑；再根據(jù)管壁熱阻、污垢熱阻等參數(shù)計(jì)算出一個(gè)新的K值。如果這個(gè)新K值和假設(shè)值相差不大即認(rèn)為滿足要求，停止計(jì)算；如果兩者相差較大，再以新計(jì)算出的K值重新進(jìn)行計(jì)算，直到兩個(gè)K值相差不大為止。其具體計(jì)算步驟如圖1所示。

計(jì)算出換熱器總傳熱系數(shù)K值后，根據(jù)總傳熱量的大小，利用溫差校正系數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的換熱面積A，最終確定換熱管數(shù)量和換熱器直徑。如何確定換熱管數(shù)量和殼體直徑，這是學(xué)生設(shè)計(jì)工作中的難點(diǎn)。若要確定換熱管數(shù)量，需要選擇換熱管規(guī)格，確定換熱管的直徑、厚度和材質(zhì)。然后根據(jù)管程流體的常見流速范圍，選擇一個(gè)合適的管內(nèi)流速u；根據(jù)換熱管內(nèi)徑di的大小，由體積流量VA根據(jù)公式（2）確定單程換熱管的根數(shù)n；再根據(jù)公式（3）和換熱面積A計(jì)算出所需的換熱管長(zhǎng)度L。換熱管的實(shí)際長(zhǎng)度并不一定是計(jì)算出的數(shù)值，而是需要根據(jù)管長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選取，換熱管的長(zhǎng)度規(guī)格有1m、2m、2.5m、3m、4.5m、6m、7.5m、9m和12m等。如果計(jì)算出的單程換熱管太長(zhǎng)，可以考慮將管程設(shè)為多管程，多管程的程數(shù)N一般是偶數(shù)2、4、6和8。

在管程數(shù)N和單程換熱管的根數(shù)n確定后，需要先根據(jù)換熱管的直徑和管外流體的清潔程度，選擇換熱管的排列方式為正三角形或正方形，管間距t的大小和管板利用率η，再利用經(jīng)驗(yàn)公式（4）計(jì)算，或根據(jù)換熱管數(shù)量、管間距和管程數(shù)進(jìn)行實(shí)際排列，確定換熱器的殼體直徑D，并圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑。換熱管的長(zhǎng)度與換熱器的公稱直徑之比大都選擇在3～10之間，但也有高達(dá)25的。

在換熱器結(jié)構(gòu)形式確定后，最關(guān)鍵的部分是如何求取管內(nèi)、管外給熱系數(shù)αi和αo。

根據(jù)管內(nèi)外流體的物性及有無相變的情況，考慮選擇強(qiáng)制對(duì)流還是自然對(duì)流以及采用垂直管還是水平管等不同的場(chǎng)合來選擇計(jì)算公式，計(jì)算出管內(nèi)外的給熱系數(shù)，進(jìn)而確定總傳熱系數(shù)K。

在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，學(xué)生應(yīng)知道假定的總傳熱系數(shù)K、管程的流速等均應(yīng)在工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)值范圍內(nèi)選取，而換熱管的長(zhǎng)度、換熱器的直徑大小也必須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格選取。如果殼程是蒸汽介質(zhì)，在進(jìn)行換熱管排列時(shí)還要考慮防沖擋板的位置，殼程直徑不能選得太小。

（三）確定換熱面積

上述計(jì)算溫差時(shí)沒有考慮到多管程的影響，所以對(duì)多管程來說，前面估算的溫差并不能代表正確的數(shù)值，還需要乘以溫度校正系數(shù)φ，對(duì)換熱面積進(jìn)行重新核算。而實(shí)際換熱面積常取計(jì)算值的1.10～1.15倍，主要是為了留有一定的設(shè)計(jì)余量。

（四）計(jì)算流動(dòng)阻力損失

做換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，必須分別計(jì)算管程、殼程介質(zhì)的流動(dòng)阻力損失，作為提供動(dòng)力（泵的揚(yáng)程或風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓）選擇的依據(jù)。殼程介質(zhì)的流動(dòng)阻力包括進(jìn)出管口阻力、橫過換熱管的阻力以及通過折流板缺口的阻力之和。管程介質(zhì)的總阻力損失則包括進(jìn)出管口處的局部阻力損失、各程的直管段損失、每程的回彎阻力損失等。

計(jì)算流動(dòng)阻力的損失時(shí)，要先確定換熱器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式，而換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。如果計(jì)算出的流動(dòng)阻力損失過大，不能滿足生產(chǎn)要求，則需要重新對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重新計(jì)算，直到滿足要求為止。通過自主完成整個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作，學(xué)生會(huì)養(yǎng)成按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的習(xí)慣。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著共建“一帶一路”、建設(shè)“雙一流”高校的深入開展，吸引外國(guó)留學(xué)生來華接受教育是目前國(guó)內(nèi)高校發(fā)展國(guó)際化教育的重要途徑[4]。筆者所教授的留學(xué)生來自不同的國(guó)家，有美國(guó)、巴基斯坦、印度、蘇丹、喀麥隆等，近年“一帶一路”沿線國(guó)家的留學(xué)生數(shù)量大幅增加[5]。這些留學(xué)生學(xué)習(xí)背景大不相同，所學(xué)的專業(yè)知識(shí)也參差不齊，對(duì)于化工類生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)過程以及所用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏了解。通過規(guī)范換熱器設(shè)計(jì)的工藝計(jì)算，不僅可以進(jìn)一步加深國(guó)內(nèi)外學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和提高其應(yīng)用能力，讓學(xué)生掌握專業(yè)設(shè)備的工程設(shè)計(jì)方法，而且能夠提高其學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)其工程意識(shí)和專業(yè)自豪感，優(yōu)化其專業(yè)技能學(xué)習(xí)效果。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 方書起.化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2］ 陳敏恒，從德滋，方圖南，等.化工原理[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3］ 陳海峰，石磊.管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)方法[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2014（2）：38-41，55.

[4］ 張奕.“雙一流”建設(shè)背景下來華留學(xué)研究生教育反饋研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2020（2）：51-59.

[5］ 張軼，周茜，茍朝莉.“一帶一路”背景下重慶市來華留學(xué)教育發(fā)展政策研究：基于政策比較分析視角[J].重慶高教研究，2021（5）：13-25.

［責(zé)任編輯：龐丹丹］